(57)【要約】【課題】光学装置において、最終的な部品の固定的搭載作業及び／又は熱処理により生じる光学構成要素の位置のずれをなくし、よって導波路内への放射光の結合を改善する。【解決手段】光ビームの経路を調節するための方法と装置、特に、光学構成要素列の一部として光ビーム路（Ｚ軸）に沿って配置され光ビーム路を調整するように構成された弱レンズを用いることにより、光導波路内への自由空間放射光の結合効率（パワー入力）を改善するための方法と装置を提供する。この弱レンズ２１０は、Ｚ軸、及びＺ軸に垂直な軸の少なくとも１つ（Ｘ軸又はＹ軸）に沿って移動可能である。好ましい一実施例において、弱レンズは位置の３つの自由度全てを有する（すなわち、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸の全てに沿って調整可能である）。或る好ましい実施例において、弱レンズは１つ又は２つの方位の自由度（すなわち、ピッチ及び／又はヨー）の動きも有する。【選択図】図２ａ
2005222049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光ビームを導波路内へ結合するための装置であって、
ｉ）前記平行光ビームの光源と前記導波路の間に配置された強集束レンズ；及び
ｉｉ）前記光源と前記強レンズの間又は前記強レンズと前記導波路の間の前記平行光ビーム路内に配置された弱レンズ
を備え、前記弱レンズは、前記平行光ビーム路に沿って移動可能であり、且つ前記平行光ビーム路に垂直な平面内で少なくとも１つの位置の自由度を有する装置。
【請求項２】
前記弱レンズが、前記平行光ビーム路に垂直な平面内において２つの位置の自由度を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記弱レンズが少なくとも１つの方位の自由度を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記弱レンズがそのピッチ及びヨーを調整するために傾斜可能である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記弱レンズの焦点距離の絶対値が１０ｍｍから５００ｍｍまでである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記絶対値が２０ｍｍから２００ｍｍまでである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記弱レンズの焦点距離の絶対値が、前記強レンズの焦点距離の絶対値の約１０倍から約１００倍である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記弱レンズの焦点距離の絶対値が、前記強レンズの焦点距離の絶対値の約２０倍から約５０倍である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記弱レンズが正のレンズである、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記弱レンズが平凸レンズ又は両凸レンズである、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記導波路が、ＳＯＡ、リッジ導波路、単一モード光ファイバ、又は周波数２倍波化結晶である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記導波路が周波数２倍波化結晶である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
更に外部空洞半導体レーザを備える請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記弱レンズが少なくとも１つの方位の自由度を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
平行光ビームの前記光源が、前記光源と前記集束レンズの間に配置された強平行化レンズを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
更に前記光源と前記集束レンズの間に配置された光アイソレータを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
平行光ビームの前記光源がポンプレーザを備え、前記導波路が周波数２倍波化結晶である、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記周波数２倍波化結晶が、周期分極燐酸チタン基カリウム、周期分極ニオブ酸リチウム、又は周期分極タンタル酸リチウムからなる、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記弱レンズがハウジング内に収納されたレンズ搭載部材中に固定保持されており、前記レンズ搭載部材が前記ハウジング内で垂直に移動可能であり、前記ハウジングが前記光ビーム路、及び前記光ビーム路に対して横方向に移動可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
ｉ）リッジ導波路ゲインチップ；
ｉｉ）前記ゲインチップによって放射された放射光を反射して前記ゲインチップ内へ戻す波長選択性反射素子；
ｉｉｉ）弱レンズ；及び
ｉｖ）前記放射光の平行化と集束との両方の動作を行う強レンズ
を備え、前記強レンズは前記空洞内において前記ゲインチップと前記反射素子の間に配置される外部空洞レーザ。
【請求項２１】
前記波長選択性反射素子が、高反射ミラーとチューニングフィルタとの組み合わせからなる、請求項２０に記載の外部空洞レーザ。
【請求項２２】
導波路内への平行光ビームの結合効率を最大化する方法であって、
ｉ）前記光ビームの光源と前記導波路の間に弱レンズと強レンズを配置するステップ； 
ｉｉ）導波路内へ伝達される光ビームのパワーが最大又はほぼ最大の値になるまで前記強レンズの位置を調整するステップ；
ｉｉｉ）前記強レンズと前記導波路とを共通の剛性支持台に恒久的に取り付けるステップ；及び
ｉｖ）前記強レンズと前記導波路の前記恒久的取り付けの結果失われた前記光ビームの導波路内への結合効率の少なくとも大部分を回復するのに必要な程度まで、ビームの光軸及び前記光軸に垂直な軸の少なくとも１つに沿って前記弱レンズの位置を調整するステップ
を含む方法。
【請求項２３】
前記弱レンズを、光軸に垂直な軸の両方に沿って調整する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記弱レンズのピッチ及びヨーの少なくとも１つを調整する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記導波路が、リッジ導波路、周波数２倍波化結晶、ＳＯＡ又は単一モード光ファイバからなる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
リッジ導波路ゲインチップ内への平行光ビームの結合効率を最大化する方法であって、
ａ．前記導波路と、前記ゲインチップによって放射された放射光を反射して前記ゲインチップ内へ戻す波長選択性反射素子の間に弱レンズと強レンズを配置するステップ；
ｂ．前記ゲインチップ内へ反射されて戻る放射光が最大又はほぼ最大の値になるまで、前記強レンズの位置を調整するステップ；
ｃ．前記強レンズ、前記反射素子及び前記導波路を共通の剛性支持台に恒久的に取り付けるステップ；及び
ｄ．前記反射素子、前記強レンズ及び前記導波路の恒久的取り付けの結果失われた前記光ビームの導波路内への結合効率の少なくとも大部分を回復するのに必要な程度まで、ビームの光軸、及び前記光軸に垂直な軸の少なくとも１つに沿って、前記弱レンズの位置を調整するステップを含む方法。
【請求項２７】
リッジ導波路ゲインチップ内への平行光ビームの結合効率を最大化する方法であって、
ｅ．前記導波路と、前記ゲインチップによって放射された放射光を反射して前記ゲインチップ内へ戻す波長選択性反射素子の間に弱レンズと強レンズを配置するステップ；
ｆ．前記ゲインチップ内へ反射されて戻る前記放射光が最大又はほぼ最大の値になるまで前記強レンズの位置を調整するステップ； 
ｇ．前記強レンズ、前記反射素子及び前記導波路を共通の剛性支持台に恒久的に取り付けるステップ；及び
ｈ．前記反射素子、前記強レンズ、及び前記導波路の前記恒久的取り付けの結果失われた光ビームの導波路内への結合効率の損失の少なくとも大部分を回復するのに必要な程度まで、前記弱レンズの位置を、ｉ）光ビームの光軸に沿って、ｉｉ）前記光軸に直角な軸の少なくとも１つに沿って調整し、且つｉｉｉ）前記弱レンズのピッチ又はヨーを調整するステップ
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームの経路を調整するための方法及び装置に関する。詳しくは、本発明は、光学構成要素列（オプティカル・トレーン）の一部として、光ビーム路（Ｚ軸）に沿って配置され光ビーム路を調整するように構成された弱レンズを用いて、光導波路内への自由空間放射光の結合の効率（パワー入力）を向上させるための方法及び装置を目的とする。本発明によれば、この弱レンズは、Ｚ軸と、Ｚ軸に垂直な軸の少なくとも１つ（Ｘ軸又はＹ軸）に沿って移動可能である。好ましい一実施例において、弱レンズは位置の自由度について３つの自由度の全てを有する（すなわち、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸の全てに沿って調整可能である）。或る好ましい実施例において、弱レンズは又、１つ又は２つの方位の自由度（すなわち、ピッチ及び／又はヨー）の動きも有する。
【背景技術】
【０００２】
多くの光学製品において、平行光ビームを微ミクロンサイズの導波路構造に結合させる必要がある。例えば、光ファイバ電気通信システムの場合に、光ファイバのコアは比較的小さい直径（一般に約１０μｍ未満）を有する。加えて、光ファイバ及び他の導波路は、光を受け入れ可能な入力角が比較的狭いことが多い。したがって、結合によるパワー損失及び／又はその他の性能上の問題を回避するために、光源は、受光側の光ファイバと注意深く位置合わせ（アラインメント）する必要がある。結合を効率的に行うためには、強集束レンズ（強レンズ）、例えば大まかには０．２ｍｍから１０ｍｍの間、一般には０．５ｍｍから５ｍｍの間の焦点距離を有するレンズを用いて、集束領域（集束スポット）の大きさが導波路構造の直径又は断面積にできるだけ近くなるようにする。この方法によれば、良好な結合効率を得ることが理論的に可能である。しかし、主たる課題は、導波路と他の光学構成要素とを共通の剛性支持構造に恒久的に取り付けるステップの後に、導波路構造に至るまでの光学構成要素列の他の構成要素のアラインメント状態を最適に維持することである。このような恒久的取り付けは実際に適用する際に通常に必要とされる。レーザシステムの場合、このような支持構造は通常、光学台であるか、又はシステムが携帯式の時は剛性台板を有するハウジングである。恒久的に取り付けられているとき、及び構成要素に何らかの熱的調整が行われる場合に、光学構成要素の１つ以上に移動が生じることがある。レーザの場合、強集束用光学構成要素が導波路直径（一般にミクロンサイズ）の数分の一だけ移動した場合でも、導波路内に結合される放射光量に顕著な影響を及ぼすことがあり得、したがって、製品の効率及び性能全体が顕著な影響を受けることになり得る。光ファイバパッケージ及び他の導波路適用例における光ビーム出力（又は入力）の操作については数多くの手法が提案されて来ている。操作は例えば、光ファイバ通信システムにおいて、光をシングルモードの光ファイバの端部内に結合させるか、又は端部から引き出す場合に必要となる。このような用途では、光ファイバ先端部の横方向のずれはごく僅かなものでも補正することが望ましい。光ビームの方向及びアラインメントを改善するために、光ビームの経路を調整する試みが長年にわたってなされて来た。例えば、特許文献１には、光ファイバのアラインメント用にＸ及びＹ軸方向のみの自由度を有する（すなわち、光ビーム伝搬路に垂直な平面内でのみ移動可能である）磁気により搭載された弱レンズを用いる手法が示されている。
【０００３】
しかし、本発明者は、Ｘ軸及びＹ軸方向のみで行う光ビーム路の調整は必ずしも十分ではないことを見出した。その上、最適な性能を得るには、構成要素の初回調整を行った後に微調整を加える必要がしばしばあることも判明した。したがって、従来の技術の欠点を克服するように光ビーム路を調整する方法及び装置の改良に対する必要性が存在する。  具体的には、Ｚ軸（光ビームの伝搬軸）の方向と、Ｘ軸又はＹ軸のうちの少なくとも１つに沿って、又好ましくは全３軸（Ｘ、Ｙ及びＺ軸）に沿って光ビームを操作する（位置変更する）ことのできる方法及び装置の必要性が残っている。ビーム路がＸ、Ｙ及びＺ軸内で調整可能である、すなわち３つの位置の自由度全てを有する、ことが望ましいだけでなく、光ビーム路内で弱レンズを調整して（傾斜させて）弱レンズのピッチ及び／又はヨーを変化させることができるように構成された弱レンズ搭載部材を設けることが時に有利であることを見出した。
【０００４】
光学構成要素として数多くの既知の実質的に恒久の取り付け方法（例えば、レーザ溶接、紫外線又は熱で作用する接着剤、ハンダ付、等）があるが、これらの方法は全て、その取り付け過程中に光学構成要素の位置がずれる可能性がある。基本的な問題は、主要な光学構成要素全てが堅固に、つまり実質的に恒久に、搭載部材、収納筐体、又は他の剛性構造物に取り付けられる前に、最適性能が得られるように必然的に光学構成要素が位置合わせされ、光システムが試験されるのが一般的であることである。このような手法が必要なのは、当初の組立及び試験の段階で、しばしば「オプティカルトレーン」（即ち、光ビーム路に沿って配置された光学構成要素の集合体）と呼ばれる列内において構成要素に何らかの再位置決め又は再アラインメントが必要になることが多いためである。このような初期の組立及び試験の後に初めてこれら光学構成要素が堅固に取り付けられ（すなわち搭載され）ることにより、その後出荷、設置、及び／又は動作中に位置が移動することがなくなる。加えて、初期の組立後、又は場合によっては最終の恒久的搭載後、組み立てられた構成要素の焼き付け、焼なまし、又は他の熱処理が頻繁に必要になるか、又は所望される。これら最終の恒久的搭載作業及び／又は熱処理が頻繁に行われる影響で、１つ以上の重要な光学構成要素の位置のずれが生じることになり、その結果として導波路内への放射光（すなわち、パワー）の結合に悪影響が生じることになる。
【特許文献１】米国特許第６３７４０１２号
【発明の開示】
【０００５】
本発明者は光学構成要素におけるこのような望まれない位置のずれの発生に対する解決策を見出した。その解決策は、光学構成要素列に、別の光学構成要素、詳しくは弱集束レンズ（弱レンズとも称する）、例えば１０ｍｍから５００ｍｍ、一般には２０ｍｍから２００ｍｍの焦点距離を有するレンズを加えることである。この弱レンズを用い更に、この弱レンズをＺ軸とＸ軸又はＹ軸の少なくとも１つの軸とに沿って、好ましくはＸ、Ｙ、及びＺ軸の全３軸に沿って移動させることが可能な、そして最も好ましくは弱レンズのピッチ及び／又はヨーをも調整することが可能な搭載システムをこの弱レンズに関連して設けることにより、上記の位置のずれを補正することができる。
【０００６】
弱レンズ（時には、二次レンズ、と称される）は、光ビーム路に沿って位置し、強レンズ（一次レンズ）とは間隔を置いている。弱レンズは一次レンズよりも大きい焦点距離を有し、光ビームと同一線上で（すなわち、Ｚ軸に沿って）、又光ビーム路を横断する平面（Ｘ及びＹ軸）に沿って移動可能であるように搭載される。本発明により、弱レンズは、弱レンズが光ビームと同一線上に、且つ上記平面に沿うＸ及び／又はＹ軸方向に移動する際に、集束状態及び光ビーム路を調整するように構成される。この追加構成要素（弱レンズ）が一次レンズよりも大きい焦点距離を有するので、後述で詳細に説明するように、取り付けについてより大きい許容度を有する。本発明者は、平行化（コリメーション）された自由空間放射光の、ミクロンサイズの導波路（例えば、リッジ導波路、埋設チャネル導波路、半導体ゲインチップ、単一モード光ファイバ、周期分極強誘電性結晶導波路等）内への結合が、Ｚ軸及びＸ軸及び／又はＹ軸に沿って調整可能な弱レンズを、通常に用いられる強レンズと組み合わせて使用することによって大幅に改善されることを見出した。弱レンズによって、取り付け及び／又は熱処理プロセス中に１つ以上の重要な光学構成要素（例えば、強レンズ及び／又は導波路）の動きにより生じる結合効率の損失を補償することが可能になる。
【０００７】
重要な光学構成要素（特に、導波路及び強レンズ）をほぼ不動に取り付けた後に初めて、適切に搭載された弱レンズを追加し、結合を最適化するようにこの弱レンズを調整し、その後にこの弱レンズを堅固に取り付け、この弱レンズをＺ軸及びＸ軸又はＹ軸方向に適宜移動させることによって、導波路内への結合効率の損失をほぼ回復することが可能である。弱レンズをＸ軸及びＹ軸方向に調整することで、取り付けの際に重要な光学構成要素に生じたＸ軸及びＹ軸に沿ったずれを補償することができる。弱レンズをＸ軸及びＹ軸方向に移動させることにより、光ビームを導波路の入口に心合わせし直すことができる。弱レンズのＺ軸（光ビーム軸）方向の移動は、強集束の光学構成要素が導波路の入口において最適な集束スポットサイズ又は焦点位置を得ることができず、オーバーフォーカス又はアンダーフォーカスの光ビームの状態、即ち導波路入口の手前又は後に焦点が合った状態を発生する場合に重要である。したがって、弱レンズをＸ軸及びＹ軸の両方向に調整可能にすることが常に必要というわけではないが、弱レンズ搭載部材は弱レンズをＸ、Ｙ及びＺ軸の３軸全てに沿って移動できるものであるのが好ましい。弱レンズの焦点距離をどのように選択するかによって、弱レンズをＸ、Ｙ及びＺ軸の方向に移動させた場合に可能な補正の量が定まる。
【０００８】
本説明で用いる用語「弱レンズ」及び「強レンズ」は、光学構成要素組立体で用いられるレンズの相対的強さを表す。概して、弱レンズの焦点距離の方が大きい。したがって、本説明で用いられる場合、「弱レンズ」の焦点距離の絶対値が「強レンズ」の絶対値よりも大きい。このことは実際には、弱レンズの焦点距離の絶対値が強レンズの焦点距離の絶対値の約１０倍から約１００倍、好ましくは約２０倍から約５０倍であることを意味する。よって、強レンズは約０．２ｍｍから約２０ｍｍ、好ましくは約１ｍｍから約１０ｍｍの焦点距離を有する。システム内の種々の光学構成要素の焦点距離の特定値（したがって、焦点距離の比率）は、例えば、平行光ビームの最適直径、導波路の寸法及び開口数、及び自由空間での伝搬距離等、その応用例に固有な設計を考慮して決定される。図２ｃに示す部分組立に図示されるように、弱レンズは「正」でも「負」でもよいため、用語「絶対値」を使用している。
【０００９】
添付図面の大部分では平凸レンズが示されているが、代わりに、例えば図２ｂに示すような両凸レンズ又は図２ｃに示すような平凹レンズを用いることもできる。負のレンズに加えて、ＨＯＥ（ホログラフィー光学要素）、及びＧＲＩＮ（傾斜変化屈折率）レンズのような屈折率変化型レンズを弱レンズとして用いることができる。軸外し型レンズも同様に使用可能である。このレンズの作用は、軸対称レンズとウェッジとの直列組み合わせの場合に類似する。光ビームは、このような軸外し型レンズによっていくらか偏向されることになるが、偏向の量は調整可能な補償が可能な程度である。弱レンズを光源と強レンズとの間、又は強レンズと導波路との間に位置させてもよいことも注記したい。
【００１０】
本発明の実施例の一部では、強レンズは、集束レンズとしてのみ、又は少なくとも主に集束レンズとして機能する。他の実施例においては、その主機能が光ビームを平行化することである第２の強レンズが光学構成要素列内に使用される。例えば図３に示すような外部空洞レーザにおいて、強レンズは集束レンズ及び平行化レンズの両方として作用する。多くのレーザ又は他の光学システムでは光学構成要素列に光アイソレータ構成要素及び／又は１つ以上の操作ミラー又は他の構成要素が組み込まれることも注記したい。このような構成要素又は追加の強レンズを加えても、導波路内への正確な集束を達成するために、本発明によりＺ及びＸ又はＹ軸、又は好ましくは３軸全ての位置の自由度を有する弱レンズを組み込むことから得られる利点が改変されることはない。基本要件は、弱レンズが光学構成要素列又はその一構成部分における最後の構成要素であり、この弱レンズを導波路内への光ビームの合焦を最適化するように調整してから固定搭載するということである。
【００１１】
上記の概略説明及び下に述べる詳細説明はいずれも例示的なものであり、特許請求の範囲に定義される本発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【００１２】
後述では、添付図面に合わせて選択された特定の実施例を参照して本発明を説明する。当然ながら、本発明の精神及び範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。本発明の精神及び範囲を離れることなく、実施例の均等物の範囲内で種々の変形が可能である。又、添付図面は特定の寸法又は尺度を表すものでなく、図面に示す種々の要素の相対的な寸法は、説明を明確にするために拡大又は縮小されている場合があることを注記したい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
全てについて光ビーム結合の効率改善が得られる本発明の適用例として、以下のようなものが挙げられる。
１）レーザ外部空洞アラインメント
２）レーザから光ファイバへの結合
３）半導体ポンプレーザから２倍結晶導波路への結合
４）ゲインチップから半導体光アンプ導波路への結合
５）導波路への結合の際の非点収差の補償
【００１４】
図面において、類似の符号番号は同じか又はほぼ同等の構成要素を示す。図１〜図４、図７〜図９、図１１ｂ、図１２ｃ、及び図１２ｄに示すＸ、Ｙ及びＺ軸においては、Ｘ軸が図の紙面に直角である。又、図１１ａ、図１２ａ、及び図１２ｂに示すＸ、Ｙ及びＺ軸においては、Ｚ軸が図の紙面に直角である。
【００１５】
従来技術（図１ａ及び図１ｂ）
図１ａは、多くの従来技術による製品に用いられる基本設計を示し、この設計では強集束レンズ１４０、が平行化された放射光（光ビーム）１１０を光導波路１３０に方向付ける。レンズと導波路の両方は、光学台１２０又は他の剛性支持構造に固定されている。図は放射光（３本の光線を例として示す）が正確に導波路上に集束されている状態を示す。
【００１６】
図１ｂに、弱レンズを欠く従来技術による設計において、例えばシステムの恒久的搭載の過程及び／又は熱処理の結果として、強レンズ１４０がＹ軸に沿って僅かに位置ずれした場合の影響を示す。図から判るように、光ビーム１１０がもはや光導波路１３０内へ集束していない。Ｚ軸に沿った移動により、導波路入口に対する光ビームのウェストＺ位置が変化し、したがって導波路入口における光ビームのスポットサイズも変化している。
【実施例】
【００１７】
ここで、本発明について図２〜図１２に示す実施例を参照して一般的な説明をすると、光ビーム路を調整するように構成された図３に示す光学構成要素列に含まれるようなレンズが、本発明により提供される。本発明による弱レンズに適した搭載部材の実際の設計は、図２〜図９には示されていない。本発明による弱レンズ搭載部材の設計例を図１０〜図１２に示す。
【００１８】
基本原理（図２ａ、図２ｂ、及び図２ｃ）
図２ａは、恒久的搭載作業及び／又は熱処理の間に強レンズ１４０及び／又は導波路１３０に位置のずれが生じる際に光ビーム１１０の位置又は焦点のずれを補正するため、本発明により、任意の表面湾曲を備えた両凸型の弱レンズ２１０を用いる構成を示す。図２ａの弱レンズは、Ｘ、Ｙ及びＺ軸の全３軸に沿って調整が可能である。弱レンズをＺ軸に沿って調整することで、導波路入力部の横断面積に対する光ビームのスポットサイズと、導波路入力部面に対する光ビームのウェストＺ位置が維持される。又、弱レンズをＸ及び／又はＹ軸に沿って調整することで、光ビームが導波路上に正確に焦点を合わせた状態を維持することができる。
【００１９】
図２ｂは、恒久的搭載作業及び／又は熱処理の間に強レンズ１４０及び／又は導波路１３０に位置のずれが生じる際に光ビーム１１０の位置又は焦点のずれを補正するために、本発明により調整可能な平凸型の弱レンズ２１２を用いる構成を示す。
【００２０】
図２ｃは、恒久的搭載作業及び／又は熱処理の間に強レンズ１４０及び／又は導波路１３０に位置のずれが生じる際に光ビーム１１０の位置又は焦点のずれを補正するために、本発明により調整可能な平凹型の弱レンズ２１４を用いる構成を示す。
【００２１】
適用例１：レーザ外部空洞アラインメント（図３）
外部空洞レーザのアラインメントは重要な問題であり、特に多くの場合そうであるように光学系を光学台に堅固に取り付けることが求められる際にそうである。この問題の主たる要因は、外部空洞内で反射器すなわちミラー３１０とゲインチップ導波路３３０との間を行き来する平行化された光ビーム１１０が、リッジ導波路ゲインチップ内へ入る場合の結合と同じリッジ導波路ゲインチップから出る場合の結合との両方について結合が効率よく行われる必要があるためである。これを達成するために通常、空洞内で強集束レンズ１４０が用いられる。このレンズを光学ベンチ１２０又はハウジングに構成要素の顕著な移動を伴わずに恒久的に取り付けることが、解決すべき主要な難題である。この方法は、弱レンズ２１２を図示のように光学構成要素列に追加して、取り付け中に強レンズに生じたずれを補償するように調整することで大幅に単純化される。図示の高反射のミラー３１０とチューニングフィルタ３２０との代わりに、波長選択性反射要素として回折格子又は回折格子とミラーとの組み合わせを用いることも可能である。又、チューニングフィルタと弱レンズとの相対位置を交換することもできる。
【００２２】
適用例２：レーザから光ファイバへの結合（図４〜図６）
同様の取り付け問題が、多くのレーザの光ファイバ結合部分に存在し得る。図４に示すように、放射光（光ビーム）１１０がまずリッジ導波路であるゲインチップ導波路３３０から出て平行化され、単一モード光ファイバ４１０内へ集束される。ゲインチップ導波路３３０及びこのピグテール型の単一モード光ファイバ４１０はいずれも、ミクロンサイズの光導波構造である。この光学構成要素列に適切な弱レンズ２１２を加えることで、平行化レンズ（強レンズＡ）１４２、集束レンズ（強レンズＢ）１４４、ゲインチップ導波路３３０、及び／又はピグテール型ファイバを光学台１２０に恒久的に取り付けたことによるアラインメントのずれによって生じる損失の回復が可能になる。図４のレーザには、後方反射を防止するための光アイソレータ４２０を随意で組み込むことができ、その組み込み位置は一般に弱レンズと一方の強レンズの間である。
【００２３】
図５ａは、キュアに起因するずれが、図４のレーザに類似しているが弱レンズを持たない従来技術による一般的な構成（レーザ１）の性能に及ぼす影響を示すグラフである。光学構成要素列全体の初期アラインメント（同じくゲインチップ導波路、平行化レンズ、及び集束レンズの光学台への恒久的取り付け）後のパワー出力に任意の値として１を割り当てる。図から、この過程に続く光ファイバ及び光アイソレータのキュアによって出力パワーが約２０％減少することが判る。この場合、弱レンズがないので、キュアに起因する光ファイバのミスアラインメントを補償できないため、このパワー損失は回復不可能である。
【００２４】
図５ｂは、図４に示す種類のレーザでの３つの異なる例についてそのパワー出力の維持に当たっての弱レンズの影響を示すグラフである。全ての構成要素が初期に位置合わせされ、光ファイバと弱レンズとを除く全ての構成要素が光学台上に堅固に取り付けられた（すなわち、搭載された）ときの光ファイバからの出力に任意の値として１を割り当てる。その後、光ファイバが光学台上に例えば紫外線でキュアされるエポキシ樹脂で堅固に取り付けられる。図中、レーザ２の事例から判るように、エポキシのキュアにより光ファイバのアラインメントに実質上何の変化も生じず、よってパワー出力にも変化は生じていない。しかし、レーザ３及び４の事例では、光ファイバをエポキシで固定したことにより、それぞれ約０．８５及び約０．７５の相対値までパワー出力が減少した。光ビームの集束が再度最適化されるように弱レンズを調整することで、レーザ３及び４の両方の出力が１．０に回復した。次いでレーザ組立体は熱的調整（「第１の焼き付け」）を受ける。この熱的調整は、レーザに応じて、通常８５゜Ｃから１００゜Ｃの温度で少なくとも１時間行われ、その結果としてパワー出力が、レーザ３では約０．８５まで、又レーザ４では約０．９３まで減少した。光ファイバの固定では影響されなかったレーザ２は、第１の焼き付けでそのパワー出力が約０まで減少した。弱レンズを調整することにより、３つのレーザの全てについて少なくとも初期のパワー出力まで回復した。実際レーザ４については初期の値よりも実質的にパワーが増大した。この時点で、エポキシ樹脂を用いて弱レンズを堅固に搭載（キュア）した。これが弱レンズであるため、堅固な搭載の過程でその位置に僅かな変化があってもその変化がレーザのパワー出力に悪影響を与えることはない。光学構成要素列のうち弱レンズを除く残りの構成要素を搭載した後に弱レンズを堅固に搭載したことに起因するパワー出力（又は入力）に対する影響がなかったこと（不感度）が、レーザ３の第２の焼き付けがそのパワー出力に測定可能な影響を与えなかったことから判る。
【００２５】
図６は、弱レンズの比較的大きい移動でさえもパワー出力に対して限られた影響しか与えないという事実を更に実証している。例えば図４のレーザについてここに示すように、弱レンズ（この特定例では焦点距離７２ｍｍの弱レンズを焦点距離２．５ｍｍの強レンズと共に使用する）が一方向に少なくとも５０μｍ、反対方向に少なくとも６０μｍ移動しない限り、パワー出力に比較的小さい２０％未満の減少しか生じない。弱レンズの堅固な固定及び／又はそれに続く熱処理から生じる移動でも、弱レンズに数μｍを超えるずれを生じさせることはないので、図６から、光学構成要素列の弱レンズを除く他の構成要素の最終処理後、レーザパワー出力に対してこのような弱レンズの動きが実質上何の影響も及ぼさないことは明白である。
【００２６】
適用例３：半導体ポンプレーザから周波数２倍波化結晶導波路への結合（図７）
例えば９８０−ｎｍポンプレーザ７１０からの平行光ビーム１１０が、この例では周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）周波数２倍波化結晶にエッチングされた導波路７２０内へ集束される場合、集束されたスポットサイズをこの周波数２倍波化結晶導波路の入力開口のサイズに合わせるために強レンズ１４０が用いられる。この導波路を支持用の光学台１２０に取り付けた後、強レンズ及び／又は導波路の移動により通常に発生する導波路内への結合損失は、図示のように弱レンズ２１２を用いることによって補償される。Ｚ軸に沿う弱レンズの移動によって、集束されたスポットサイズ及び位置と導波路入力開口との正しい相関が維持される。ＰＰＬＮ結晶の代替としては、周期分極タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）及び周期分極燐酸チタン基カリウム（ＰＰＫＴＰ）のような他の周波数２倍波化結晶が適切である。
【００２７】
適用例４：ゲインチップから半導体光アンプ（ＳＯＡ）導波路への結合（図８）
一部の固体レーザの製造過程において、外部空洞レーザから出てすぐの段階では出力パワーが充分ではない。出力パワーを増大させる方法の一つは、レーザビームを半導体光アンプ（増幅器）（ＳＯＡ）のような追加の増幅ステージを通して送ることである。この方法は、外部空洞レーザ導波路３３０からの放射光（光ビーム）１１０のＳＯＡ導波路８１０内への結合を伴う。一般に、これは、ゲインチップ及びＳＯＡの両方に用いられる導波路のサイズが非常に小さいため（概して１μｍ〜１０μｍ）、難しい仕事である。ここでも、光ビームの平行部分で弱レンズを用いることにより、ＳＯＡ導波路内への結合に用いられる強レンズＡ１４２及び強レンズＢ１４４の一方又は両方の取り付けの際に生じるずれによる損失を回復することができる。従来技術による設計では、光フィードバックの防止のために、通常２つの強レンズの間に設置される光アイソレータが用いられてきた。本発明のように弱レンズを用いると、図４のような場合にさえも光アイソレータ４２０を弱レンズと強レンズのうちのいずれかとの間に設けることが可能である。
【００２８】
現実においては、商業的販売者から容易に入手可能な強レンズの数は非常に限られている。特定の導波路結合用途に選択できる入手可能な焦点距離の範囲が限られていることが、その用途で得ることが可能な最大結合効率に影響を及ぼす。弱レンズ１つを光ビーム路の平行化部分に、又は強集束レンズと導波路との間に追加した場合、レンズ対の集束特性は強レンズのみの場合の特性とは異なる。したがって、弱レンズは、弱レンズと強レンズとの組み合わせの焦点距離を変えこれにより焦点距離を最適化できるという付加的な調整の機会を提供するものであり、これによって結合効率が増大することになる。
【００２９】
適用例５：弱レンズによる非点収差の補償（図９）
放射光が半導体ゲインチップ導波路から結合される場合は多くの場合或る程度の非点収差がある。チップ３３０からの光ビーム１１０が強レンズＡ１４２を用いて平行化され、次に別の強レンズＢ１４４を用いて図９に示すＳＯＡ導波路８１０のような別の導波路内へ結合される場合、ＳＯＡ導波路内への結合効率は、非点収差の影響を受ける。その理由は、第２の強レンズによってＸ軸Ｚ軸を含む平面（ＸＺ平面）及びＹ軸Ｚ軸を含む平面（ＹＺ平面）の両方で最適な光ビームサイズとＺ位置を得ることができないためである。傾斜した（すなわち、ピッチ及び／又はヨーにずれのある）弱レンズ２１０が、ＸＺ平面及びＹＺ平面の両平面に対する調整可能な集束特性を提供するので非点収差が補正され（又は少なくとも受け入れ可能なレベルまで減少し）、よって第２の導波路（すなわち、ＳＯＡ導波路）への結合が最適化される。望ましい非点収差補正は、弱レンズの傾斜（ピッチ及び／又はヨー角）を調整することにより達成される。かなり大きい傾斜角（約１５〜２０゜）までの調整が可能である。その理由は、これだけ大きい角度を調整しても、結合効率に悪影響を及ぼすような光ビームの高次収差はごく僅かしか生じないからである。
【００３０】
搭載方法（図１０〜１２）
図１０は、光学台１２０上に位置して弱レンズ２１２を保持する中空レンズ搭載部材１０１０と、そのＸ、Ｙ及びＺ軸を示す。光ビーム１１０がＺ軸に沿ってレンズを通っている様子が示されている。レンズ搭載部材１０１０の平坦な底部は、光学台の平坦な頂面である台表面１０２０と接しており、Ｙ軸を除くＺ軸及びＸ軸に沿うレンズ搭載部材の移動が可能である。レンズ組立体の恒久的固定は、例えば接着剤（熱又は紫外線キュアのエポキシ）をレンズ搭載部材の底部と光学台の表面との間に層状に塗布するか、又はレンズ搭載部材の底部のまわりにビード状に塗布することによって行われる。
【００３１】
図１１ａ及び図１１ｂは、弱レンズのＸ、Ｙ及びＺ軸の全３軸に沿った移動が可能な弱レンズ組立体の、それぞれ正面図及び側断面図である。ここでも、符号１２０は可搬パッケージ型レーザ用の光学構成要素列を搭載するために用いられる光学台又は台板を意味する。いずれの場合も、光学台又は台板の頂面である台表面１０２０は、これと接する弱レンズ固定具１１１０の底表面とほぼ同一平面にある。この構成で、弱レンズ２１２は、弱レンズ固定具１１１０内に収納された、移動可能な中空レンズ搭載部材１０１０内に保持されている。レンズ固定具１１１０は、図１０に示すレンズ搭載部材１０１０のように、Ｘ及びＺ軸に沿って移動可能である。しかし図１１ａ及び図１１ｂに示すように、弱レンズ２１２はレンズ搭載部材１０１０に取り付けられており、レンズ搭載部材１０１０（したがって、弱レンズ２１２）の位置は垂直なＹ軸に沿って固定具１１１０内で調整可能である。レンズ搭載部材１０１０は、図示では固定具１１１０内で、ねじ１１３０で制御されるばね１１２０によって支持される。ねじ１１３０は固定具１１１０の頂表面を通過してレンズ搭載部材１０１０の頂部を押すことにより、レンズ搭載部材１０１０の底部を下方へ、圧縮ばねであるばね１１２０に対して押しつける。ねじ１１３０を時計回り、又は半時計回りに回す（レンズ搭載部材１０１０を下方に押しつけてばねを更に圧縮する）、又はねじ１１３０を反時計回りに回す（ばね１１３０によりレンズ搭載部材１０１０を上方へ移動させる）ことにより、Ｙ軸上の弱レンズ２１２の位置が調整される。レンズ組立体のＸ及びＺ軸に沿っての移動に対抗する恒久的固定は、例えば接着剤（熱又は紫外線キュアのエポキシ）を固定具１１１０の底部と光学台１０２０の表面との間に層１１４０状に塗布するか、又は固定具１１１０の底部のまわりにビード状に塗布することによって行われる。レンズ組立体のＹ軸に沿っての移動に対抗する恒久的固定は、例えば接着剤をレンズ搭載部材１０１０の側部と固定具１１１０の内壁との間に塗布してキュアするか、又は圧縮先端部を有する押しねじ１１５０を任意で設けて調整ねじ１１３０を固定することにより行われる。当然ながら、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、レンズをＸ、Ｙ及びＺ軸に沿って移動させることができ且つ本技術分野で入手可能な他の既知のレンズ保持設計を利用することができる。
【００３２】
図１２ａ〜図１２ｄは、光学構成要素列の一部としての弱レンズを調整しその後に恒久的に位置決めする好ましい方法を示す。図１２ａ及び図１２ｂは、調整可能な締め付けねじ１２２０により中空のレンズ搭載部材１０１０を保持する保持アーム１２１０の正面図を示す。このレンズ搭載部材１０１０には、弱レンズ２１２が、例えば図１２ｃに示すようなリング状のエポキシ接着剤１１５０によって移動不可能に固定されている。保持器１２１０は固定台板上に搭載され、弱レンズ２１２を内蔵するレンズ搭載部材１０１０をＸ、Ｙ及びＺ軸のいずれか又は全てに沿って移動させることができ、又図１２ｄに示すように、レンズ搭載部材１０１０をピッチ及び／又はヨーの向きに傾斜させることができる。保持アーム１２１０は、操作可能に台板に接続され、この台板によって、光ビームの最適な集束及び位置が達成されるまで上記の保持器１２１０を動かすことが可能になる。次いで、保持器１２１０（及び保持されているレンズ）を、図１２ｂ〜図１２ｄに示すように弱レンズ搭載部材が堅固に且つ恒久的に固定されるまで絶対静止状態に維持する。光ビームと導波路との最適なアラインメント／集束が達成されるように保持アーム１２１０によってレンズを方向決めした後、アラインメントされた弱レンズ搭載部材を、光学構成要素列の残りの構成要素に対する相対的な位置及び方向の変化が最小になるようにして、光学台又は台板に恒久的に取り付ける必要がある。本発明者は、これを達成する一つの有利な方法が、搭載用の柱材（図１２ｂ〜図１２ｄの符号１２３０）を用いる方法であることを見出した。レンズ搭載部材１０１０を保持アームによって移動不可能に保持した状態で（図１２ｃ及び図１２ｄには図示しない）、柱材をキュア可能な接着剤（例えば、熱又は紫外線キュアのエポキシ１２４０及び１２４２）で塗布し、レンズ搭載部材１０１０の平坦な側面と台板１２０の表面１０２０とに対して押しつける。接着剤がキュアし次第、既に光学台に固定され、光学構成要素列の残りの構成要素に対して恒久的に位置決めされたレンズ搭載部材が、保持アームから解放される。
【００３３】
本発明に関する上記の詳細な説明は、主として又は専一に本発明の特定の部分又は態様に関してなされた説明を含む。本説明が明白性及び利便性を提供するためになされたものであること、特定の特徴は開示された説明以外にも関連すること、及び本明細書における開示内容は異なる説明部分に見出される情報の全ての適切な組み合わせを含むことを理解されたい。同様に、本明細書における種々の図面及び記述は本発明の特定の実施例に関するものであるが、或る特定の特徴が特定の図面又は実施例の文脈において開示されている場合も、このような特徴は、別の図面又は実施例の文脈においても、別の特徴点と組み合わせて、又は本発明の一般的構成において、適切な範囲で用い得ることを理解されたい。
【００３４】
更に、本発明を特定の好ましい実施例に関して詳しく説明したが、本発明はこれらの好ましい実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１ａ】従来技術による製品における強集束レンズの望まない位置のずれ（例えばキュアから生じる）による悪影響を示す説明図であって、図１ａは集束光ビームが導波路入口の適切な位置に入射している状態を示す。
【図１ｂ】従来技術による製品における強集束レンズの望まない位置のずれ（例えばキュアから生じる）による悪影響を示す説明図であって、図１ｂは集束光ビームが導波路入口の適切な位置からずれてしまう状態を示す。
【図２ａ】本発明による任意の表面湾曲を備えた両凸型の弱レンズを使用し（それをＹ軸に沿って移動させ）、恒久的搭載作業及び／又は熱処理によって生じる強レンズ及び導波路の相対的な位置のずれによる光ビームの心ずれを補償する様子を示す。
【図２ｂ】本発明による平凸型の弱レンズを使用し（それをＹ軸に沿って移動させ）、強レンズ及び導波路の相対的な位置のずれによる光ビームの心ずれを補償する様子を示す。
【図２ｃ】本発明による負の平凹型の弱レンズを使用し（それをＹ軸に沿って移動させ）、強レンズ及び導波路の相対的な位置のずれによる光ビームの心ずれを補償する様子を示す。
【図３】外部空洞レーザにおける位置合わせを強化するための、本発明による平凸型弱レンズの使用を示す。
【図４】単一モード光ファイバとゲインチップとの間のレーザビーム結合を改善するための、弱レンズの使用を示す。
【図５ａ】図４に示す種類のレーザが弱レンズを用いずにアラインメント及び搭載作業の種々の段階を経る際、（本発明による）調製可能な弱レンズがないために、レーザからファイバへの結合に生じる回復不可能な一般的パワー損失を示す。
【図５ｂ】図４に示すレーザから光ファイバへの結合の実施形態において、パワー出力維持の３種類の具体例に見られた弱レンズの効果を示す。
【図６】図４に示すレーザから光ファイバへの結合の一実施形態において、弱レンズの比較的大きい動きでさえもパワー出力に限られた影響しか与えないことを示す。
【図７】周波数２倍波化結晶（本実施例では周期分極ニオブ酸リチウム）へのレーザビームの集束を最適化するための、本発明の弱レンズ技術の適用を示す。
【図８】ゲインチップ導波路と半導体光アンプ（ＳＯＡ）導波路の間の結合効率の最大化を達成するための、平凸型の弱レンズの使用を示す。
【図９】ゲインチップの出力をＳＯＡ導波路に結合する際に生じる非点収差を補正するための、本発明による両凸型弱レンズの使用を示す。例えば、図１２ａ〜１２ｄに詳述するような搭載部材を用いることによって弱レンズが傾斜していることに留意されたい。この傾斜により、弱レンズのピッチ及びヨーを調整すること、及び弱レンズをＸ、Ｙ及びＺ軸に沿って移動させることが可能である。
【図１０】Ｚ軸とＸ軸との両方向に調整が可能な弱レンズ用の、本発明による搭載部材の等角投影図である。
【図１１ａ】Ｘ、Ｙ及びＺ軸の３軸全ての方向に調整が可能な、本発明によるレンズ搭載部材の正面図である。
【図１１ｂ】Ｘ、Ｙ及びＺ軸の３軸全ての方向に調整が可能な、本発明によるレンズ搭載部材の側断面図である。
【図１２ａ】Ｘ、Ｙ及びＺ軸のいずれに沿っても弱レンズを移動可能であり且つ弱レンズのピッチ及び／又はヨーを改変可能な、本発明によるレンズ搭載部材保持器（グリッパ）の正面図である。
【図１２ｂ】本発明による、図１２ａのレンズ搭載部材と保持器との組立体、及び弱レンズ搭載部材を恒久的に固定するための柱材の正面図である。
【図１２ｃ】図１２ｂのレンズ搭載部材と柱材との側面図であり、搭載部材と柱材とが相互に及び光学台に恒久的に取り付けられて保持器組立体が取り去られた後の状態を示す。
【図１２ｄ】レンズ搭載部材組立体と柱材の変形例の側面図であり、弱レンズのピッチを調整した結果を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１１０    光ビーム
１２０    光学台
１３０    光導波路
１４０    強レンズ
１４２    強平行化レンズ（強レンズＡ）
１４４    強集束レンズ（強レンズＢ）
２１０    両凸型の弱レンズ
２１２    平凸型の弱レンズ
２１４    平凹型の弱レンズ
３１０    ミラー
３２０    チューニングフィルタ
３３０    ゲインチップ導波路
４１０    単一モード光ファイバ
４２０    光アイソレータ
７１０    ９８０−ｎｍポンプレーザ
７２０    ＰＰＬＮ導波路
８１０    ＳＯＡ導波路
１０１０    中空レンズ搭載部材
１０２０    台表面
１１１０    固定具
１１２０    ばね
１１３０    調整ねじ
１１４０、１２４０、１２４２    エポキシ層
１１５０    エポキシリング
１２１０    保持器
１２２０    締め付けねじ
１２３０    柱材
【図１ａ】
2005222049.tif 000003
【図１ｂ】
2005222049.tif 000004
【図２ａ】
2005222049.tif 000005
【図２ｂ】
2005222049.tif 000006
【図２ｃ】
2005222049.tif 000007
【図３】
2005222049.tif 000008
【図４】
2005222049.tif 000009
【図５ａ】
2005222049.tif 000010
【図５ｂ】
2005222049.tif 000011
【図６】
2005222049.tif 000012
【図７】
2005222049.tif 000013
【図８】
2005222049.tif 000014
【図９】
2005222049.tif 000015
【図１０】
2005222049.tif 000016
【図１１ａ】
2005222049.tif 000017
【図１１ｂ】
2005222049.tif 000018
【図１２ａ】
2005222049.tif 000019
【図１２ｂ】
2005222049.tif 000020
【図１２ｃ】
2005222049.tif 000021
【図１２ｄ】
2005222049.tif 000022
【外国語明細書】
2005222049000001.pdf
2005222049000002.pdf
2005222049000003.pdf
2005222049000004.pdf